So funktioniert die IGBT-Schaltung
Leistungshalbleiter werden seit Langem in der Elektronik eingesetzt. Ihre Bauteile wurden im Laufe der Jahre immer weiter verbessert. Vom Thyristor über Bipolartransistoren und MOS-Transistoren bis hin zum IGBT. Dies ist insbesondere der Halbleitertyp, der eine Reihe komplexerer Bauteile der Vorgängermodelle bietet. Was muss man über den IGBT wissen und wo sind sie erhältlich? Die Antworten in diesem Artikel. Der Begriff IGBT ist eine Kurzform von Bipolartransistor mit isoliertem Gate und ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen und einer enormen bipolaren Stromtransportkapazität.
Viele Entwickler sind der Meinung, dass der IGBT ein spannungsgesteuertes bipolares Bauelement mit der charakteristischen CMOS i/p- und o/p-Bipolarität besitzt. So soll dieses Gerät die Vorteile der BJT- und MOSFET-Geräte in monolithischer Form nutzen. Es vereint die besten Eigenschaften beider, um die Eigenschaften eines optimalen Geräts zu erreichen. Das Gerät eignet sich für mehrere Anwendungen, wie sie in der Leistungselektronik, insbesondere in PWM (Pulse Width Modulated), UPS (Uninterruptible Power Supplies), SMPS (Switched-Mode Power Supplies) und anderen Stromversorgungsschaltungen verwendet werden. Er erhöht die Effizienz, die dynamische Leistung und reduziert den Pegel des hörbaren Rauschens. Er wird auch in Resonanzmodenwandlerschaltungen eingebaut. Der optimierte IGBT ist sowohl für einen geringen Schaltverlust als auch für einen geringen Leitungsverlust zugänglich.
Was ist ein IGBT?
Der IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) ist ein elektronisches Bauteil mit drei Anschlüssen, und diese Anschlüsse werden als Emitter, Kollektor und Gate bezeichnet. Zwei seiner Anschlüsse, nämlich Kollektor und Emitter, sind mit einem Leitwertpfad verbunden, und der verbleibende Anschluss „G“ ist mit seiner Steuerung verbunden. Die vom IGBT erzielte Verstärkungssumme ist ein Verhältnis zwischen seinem Eingangs- und Ausgangssignal. Bei einem herkömmlichen BJT ist die Verstärkungsmenge fast gleich dem Verhältnis des o/p-Stroms zum i/p-Strom, das als Beta bezeichnet wird.
Bei einem MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) gibt es keinen i/p-Strom, da der Gate-Anschluss vom Hauptstromtransportkanal isoliert ist. Wenn also die Verstärkung des Feldeffekttransistors, die der Verstärkung eines FET entspricht, gleich dem Verhältnis der Stromänderung o/p zur Änderung i/pv ist, dann kann der IGBT wie ein Leistungs-BJT behandelt werden und der Basisstrom für diesen Transistor wird von einem MOSFET geliefert.
Der IGBT wird hauptsächlich in Verstärkerschaltungen mit kleinen Signalen als BJT oder MOSFET verwendet. Ein IGBT wird einfach „EIN“ und „AUS“ geschaltet, indem sein Gate-Anschluss ein- und ausgeschaltet wird. Ein konstantes i/p-Signal mit +Ve-Spannung durch ‚G‘ und ‚E‘ wird das Gerät in seinem „EIN“-Zustand halten, während der Abzug des i/p-Signals es wie BJT oder MOSFET ausschalten lässt.
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Grundstruktur des IGBT
Die Grundstruktur des N-Kanal-IGBTs zeigt deutlich, dass der Siliziumquerschnitt des IGBTs mit Ausnahme der P+-Injektionsschicht fast dem eines vertikalen Leistungs-MOSFETs entspricht. Sie teilt sich die gleiche Struktur aus MOS-Gate und P-Senke mit N+-Source-Gebieten. Die oberste N+-Schicht wird als Quelle und die unterste Schicht als Drain oder Kollektor bezeichnet.
Der IGBT verwendet einen parasitären Thyristor und umfasst die NPN-Strukturen mit vier Schichten. Die Leistung des Moduls kann durch Bestehen der Pufferschicht erheblich gesteigert werden. Ein IGBT arbeitet schneller als ein Leistungs-BJT als ein Leistungs-MOSFET.
Basierend auf der Grundstruktur des IGBT lässt sich eine einfache Schaltung mit PNP- und NPN-Transistoren, JFET, OSFET erstellen. Der Kollektoranschluss des NPN-Transistors ist über den JFET-Transistor mit dem Basisanschluss des PNP-Transistors verbunden. Diese Transistoren bedeuten den parasitären Thyristor, der eine regenerative Rückkopplungsschleife erzeugt. Der Widerstand RB bedeutet den Kurzschluss der Basis-Emitter-Anschlüsse des NPN-Transistors, um sicherzustellen, dass der Thyristor nicht einrastet, was zur Verriegelung des IGBT führt.
Anwendungsgebiet und Bezugsquelle des IGBT
Diese Bauelemente werden hauptsächlich als Schalter verwendet, z. B. Frequenzumrichter- und Zerhackeranwendungen, die Variation einer Diode ist am wichtigsten, denn wenn das Schalten des IGBT ausgeschaltet ist, wird der Strom von der Last bestimmt, die in vielen Fällen induktiv ist. Durch das Anschließen geeigneter Dioden wird der Stromfluss zugelassen. Wenn dieser Transistor wieder eingeschaltet wird, fließt der Strom durch eine funktionierende Diode.